压电薄膜元件制造技术

公开了一种压电薄膜元件(20)，包括第一电极(22)、第二电极(23)以及在其之间的一个或更多个压电薄膜，其特征在于，薄膜元件具有下列各项中的至少两项：电极布置，其中，电极与这一个或更多个压电薄膜一起布置，以便当压电薄膜元件被致动时，施加到邻近第一电极的压电薄膜或压电薄膜的一部分的电场低于施加到相距第一电极更远的压电薄膜或压电薄膜的一部分的电场；邻近第一电极的压电薄膜，其中，所述第一电极附近的所述压电薄膜的层具有的压电位移常数比相距所述第一电极更远的所述压电薄膜的层的压电位移常数更低；以及邻近第一电极的压电薄膜，其中，所述第一电极附近的所述压电薄膜的层具有的弹性模量比相距所述第一电极更远的所述压电薄膜的层的弹性模量更低。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】压电薄膜元件本专利技术通常涉及适于在致动器、传感器、能量收集设备和多层电容器中使用的压电薄膜元件以及制造该元件的方法。特别地，但不排他地，本专利技术涉及适合用作喷墨打印机中的打印头的致动器的压电薄膜元件、以及涉及包括该元件的致动器、包括致动器的打印头和包括该打印头的喷墨打印机。适合于用作喷墨打印机中的打印头致动器的典型压电薄膜元件包括具有适当金属喷镀的压电层。例如，致动器可以包括金属或金属氧化物底部电极，金属顶部电极和插入在顶部电极和底部电极之间的压电薄膜。压电薄膜元件与可以设置在底部电极和基底之间的膜片或隔膜一起使用。基底被构造成使得膜片和基底一起限定压力室，当压电薄膜元件受所施加的电压驱动时，通过在基底中形成的或者与基底一起形成的一个或更多个喷嘴，墨水可以从该压力室喷出。压电薄膜可以包括由多个压电材料薄膜层形成的单层或叠层。具体地，薄膜可以通过包含溅射、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积(PLD)和原子层沉积(ALD)等的各种技术形成，但是它可以方便地通过诸如溶胶-凝胶(sol-gel)工艺的化学溶液沉积工艺形成。在(通过引用并入本文的)美国专利申请2003/0076007A1中描述了溶胶-凝胶工艺。在化学溶液沉积方法中(例如，在化学溶液沉积工艺(例如，溶胶-凝胶工艺)中)，将溶胶-凝胶溶液施加到在基底上形成的底部电极，干燥然后热解，以形成第一前体层。前体层通过加热退火以形成第一压电薄膜层。然后将溶胶-凝胶溶液施加到第一层、干燥并热解，以形成第二前体层。第二前体层通过加热退火以形成第二压电薄膜层。重复这些后面的步骤，以便形成具有所需厚度的压电薄膜层的叠层，然后在薄膜上形成顶部电极(例如，通过溅射金或铱)。压电薄膜元件的性能取决于元件的可能难以平衡的压电、电气特性和机械特性的复杂相互作用。通常，期望的是，元件容易极化并且显示出对方便施加的电场的相对大的位移响应，并且具有良好的电特性(诸如，低电流泄漏和高介电击穿场)。尽管压电薄膜元件的性能很重要，然而同样重要的是压电致动器在电场的大量应用(循环)中显示出良好的可靠性。压电致动器的可靠性的一个问题是由于电激励而使结构有破裂或分层的倾向。在一种布置中，这可能导致底部电极与膜片分层，或者导致与底部电极接触的压电薄膜破裂或与底部电极分层。这种倾向是当压电元件被驱动时，因为压电元件相对于基底位移，而在压电膜和底部电极层中产生的大的横向应力(包括所谓的“界面应力”)的结果。应力还可以由膜沉积应力或叠层中的一个或更多个层的不良粘合的组成。现有技术已经考虑到压电致动器的应力性能。例如，EP1372199A1公开了一种压电致动器，其包括具有交替层压的压电膜和电极膜的(双压电晶片型)压电设备。接触底部电极的膜层比接触邻近电极的膜层更厚，以便提供高的纵横比和良好的刚性以及提高的弯曲效率。这种现有技术的重点是提高性能效率，而不是膜中的与可靠性有关的应力。US2008/0024563A1公开了一种压电膜，其中，第一压电层和第三压电层具有比第二压电层的压电常数更小的压电常数d31。该布置是为了降低在第一和第三压电层上设置的电极层13和15之间的界面处产生的内部应力。US2007/0090728A1公开了具有多层结构的压电物质，该多层结构由掺杂的单晶层或单轴晶体层构成，其中，第一层具有第一晶相并且第二层具有第二晶相，其间具有边界层，其中，晶体结构在层的厚度方向上逐渐变化。这种现有技术倾向于关注器件性能，而没有广泛地评论可靠性。相反，本专利技术总体上旨在提供一种压电薄膜元件，其中，已经设计了应力，以在方便施加的电场下改善可靠性。具体地，本专利技术旨在提供一种在保持良好性能的同时具有改善的可靠性的压电薄膜元件。因此，在第一个方面中，本专利技术提供了一种压电薄膜元件，该压电薄膜元件包括第一电极、第二电极以及一个或更多个压电薄膜，其特征在于，薄膜元件具有下列各项中的至少两项：电极布置，其中，电极与一个或更多个压电薄膜布置成使得当压电薄膜元件被致动时，施加到邻近第一电极的压电薄膜或压电薄膜的一部分的电场低于施加到相距第一电极更远的压电薄膜或压电薄膜的一部分的电场；邻近第一电极的压电薄膜，其中，第一电极附近的压电薄膜的层具有的压电位移常数比相距第一电极更远的压电薄膜的层的压电位移常数更低；以及邻近第一电极的压电薄膜，其中，第一电极附近的压电薄膜的层具有的弹性模量比相距第一电极更远的压电薄膜的层的弹性模量更低。如本文所用，术语“层”是指通过本领域已知的任何方法(特别是上述方法)形成的压电薄膜中的层。因此，应当理解的是，压电薄膜不仅可以包括其中压电位移常数和/或弹性模量在元件的厚度方向上的特定层中是相同的分立的层，而且可以包括其中压电位移常数和/或弹性模量在元件的厚度方向上是连续变化的薄膜层。此外，应用于压电薄膜层的术语“附近”是指压电薄膜中的与第一电极的距离在1nm至200nm内(例如，1至100nm、60nm、15nm或5nm)的层。在实施例中，与相距第一电极更远的压电薄膜或压电薄膜一部分可以邻近第二电极。通过用一个或更多个预定电压驱动压电薄膜元件，可以实现致动。在一个实施例中，压电薄膜元件包括前述电极布置以及邻近第一电极的压电薄膜，其中，第一电极附近的压电薄膜的层具有的压电位移常数比相距第一电极更远的压电薄膜的层的压电位移常数更低。在另一个实施例中，压电薄膜元件包括前述电极布置以及邻近第一电极的压电薄膜，其中，第一电极附近的压电薄膜的层具有的弹性模量比相距第一电极更远的压电薄膜的层的弹性模量更低。在优选实施例中，压电元件包括前述电极布置以及邻近第一电极的压电薄膜，其中，第一电极附近的压电薄膜的层具有的压电位移常数和弹性模量比相距第一电极更远的压电薄膜的层的压电位移常数和弹性模量更低。具体地，压电薄膜元件可以包括这样的电极布置：其中，第一电极、第二电极以及一个或更多个附加电极与多个压电薄膜被布置成使得电极插入薄膜之间并与薄膜交替。在这种情况下，压电薄膜元件还可以包括邻近附加电极的一个或更多个压电薄膜，其中，该电极附近的压电薄膜的层具有的压电位移常数和/或弹性模量比相距附加电极更远的压电薄膜的层的压电位移常数和/或弹性模量更低。具体地，压电薄膜元件可以包括其中三个压电薄膜交替地插入在第一电极、第二电极和两个附加电极之间的电极布置。在一个这样的布置中，压电薄膜可以具有不同的厚度，以便邻近第一电极的压电薄膜的厚度比邻近相邻的电极的压电薄膜的厚度更大等等，并且第一电极和第二电极与相应的附加电极通过从独立的源得到的两个预定的电压被独立地进行定址(addressed)。在这个布置中，邻近第一电极的压电薄膜的极化以及邻近第二电极的压电薄膜的极化可以处于相同的方向，而介于中间的压电薄膜的极化处于相反的方向。这种布置使得施加到邻近第一电极的压电薄膜的电场低于施加到邻近相邻电极的压电薄膜(等等)的电场。在另一个这样的布置中，三个压电薄膜具有相同的厚度，并且第一电极与相应的附加电极通过第一预定电压被一起定址，并且通过来自相互独立的源和第一预定电压的源的相应的预定电压，第二电极和相应的附加电极分别进行定址。在这个布置中，邻近第一电极的压电薄膜的极化以及邻近第二电极的压电薄膜的极化处于相同的方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电薄膜元件，包括第一电极、第二电极以及一个或更多个压电薄膜，其特征在于，所述薄膜元件具有下列各项中的至少两项：邻近所述第一电极的压电薄膜，其中，所述第一电极附近的所述压电薄膜的层具有的压电位移常数比相距所述第一电极更远的所述压电薄膜的层的压电位移常数更低；邻近所述第一电极的压电薄膜，其中，所述第一电极附近的所述压电薄膜的层具有的弹性模量比相距所述第一电极更远的所述压电薄膜的层的弹性模量更低；以及电极装置，其中，电极与所述一个或更多个压电薄膜被布置成使得，当所述压电薄膜元件被致动时，施加到邻近所述第一电极的压电薄膜或压电薄膜中的一部分的电场低于施加到相距所述第一电极更远的压电薄膜或压电薄膜中的一部分的电场。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.24 GB 1522871.1;2015.06.12 US 62/175,0561.一种压电薄膜元件，包括第一电极、第二电极以及一个或更多个压电薄膜，其特征在于，所述薄膜元件具有下列各项中的至少两项：邻近所述第一电极的压电薄膜，其中，所述第一电极附近的所述压电薄膜的层具有的压电位移常数比相距所述第一电极更远的所述压电薄膜的层的压电位移常数更低；邻近所述第一电极的压电薄膜，其中，所述第一电极附近的所述压电薄膜的层具有的弹性模量比相距所述第一电极更远的所述压电薄膜的层的弹性模量更低；以及电极装置，其中，电极与所述一个或更多个压电薄膜被布置成使得，当所述压电薄膜元件被致动时，施加到邻近所述第一电极的压电薄膜或压电薄膜中的一部分的电场低于施加到相距所述第一电极更远的压电薄膜或压电薄膜中的一部分的电场。2.根据权利要求1所述的压电薄膜元件，其中，所述元件包括所述电极装置以及邻近所述第一电极的压电薄膜，其中，所述第一电极附近的所述压电薄膜的层具有的压电位移常数和/或弹性模量比相距所述第一电极更远的所述压电薄膜的层的压电位移常数和/或弹性模量更低。3.根据权利要求1或权利要求2所述的压电薄膜元件，其中，所述电极装置包括一个或更多个附加电极。4.根据权利要求3所述的压电薄膜元件，其中，所述电极装置包括在多个压电薄膜之间交替插入的多个电极。5.根据权利要求4所述的压电薄膜元件，其中，所述电极装置包括交替地插入三个压电薄膜之间的两个附加电极。6.根据权利要求5所述的压电薄膜元件，其中，所述压电薄膜具有不同的厚度，并且邻近所述第一电极的所述压电薄膜的厚度比邻近相邻电极的压电膜的厚度更大，并且所述第一电极和所述第二电极与各自的附加电极通过两个预定的电压能够独立定址。7.根据权利要求5所述的压电薄膜元件，其中，所述压电薄膜具有相同的厚度，并且所述第一电极通过第一预定电压能够定址，并且所述第二电极和相应的附加电极通过相应的预定电压和所述第一预定电压的源能够独立定址。8.根据权利要求5所述的压电薄膜元件，其中，所述压电薄膜具有相同的厚度，并且各电极通过相应的电压能够独立定址。9.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件，其中，所述电极装置包括在压电薄膜表面上的叉指式的第一电极和所述第二电极。10.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件，其中，邻近所述第一电极的所述压电薄膜包括多个薄膜层，所述多个薄膜层一起在其厚度方向上限定了跨所述薄膜中的至少一部分的压电位移常数的梯度。11.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件，其中，邻近所述第一电极的所述压电薄膜包括多个薄膜层，所述多个薄膜层一起在其厚度方向上限定了跨所述薄膜中的至少一部分的弹性模量的梯度。12.根据权利要求11所述的压电薄膜元件，其中，所述薄膜层由施主掺杂剂或受主掺杂剂单一地掺杂。13.根据权利要求12所述的压电薄膜元件，其中，经掺杂的薄膜层限定了在其厚度方向上跨所述薄膜的掺杂剂浓度的梯度。14.根据权利要求13所述的压电薄膜元件，其中，所述第一电极附近的所述薄膜层被掺杂。15.根据权利要求13所述的压电薄膜元件，其中，所述第一电极附近的所述薄膜层未掺杂。16.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件，其中，所述压电薄膜元件具有斜切的端面或倒角的端面。17.一种制造压电薄膜元件的方法，所述压电薄膜元件具有第一电极、第二电极以及在所述电极之间的一个或更多个压电薄膜，其特征在于，所述方法包括下列各项中的至少两项：形...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·马迪洛维奇，苏珊·特罗利尔麦金斯特里，萨布拉曼尼安·西瓦拉马克里什南，
申请(专利权)人：萨尔技术有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB